龔 丞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

極地破冰船冰區(qū)結(jié)構(gòu)設計規(guī)范對比研究

龔 丞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

通過對各主要船級社關于破冰船結(jié)構(gòu)設計的規(guī)范進行比較和分析，研究了不同規(guī)范關于冰級定義、船體加強區(qū)域劃分、材料和腐蝕余量、船體外形參數(shù)、冰載荷、冰區(qū)總強度、冰區(qū)構(gòu)件尺寸以及結(jié)構(gòu)設計細則的具體要求；總結(jié)了各種規(guī)范體系的特點，為今后極地破冰船的結(jié)構(gòu)設計研發(fā)提供了規(guī)范參考，具有一定的現(xiàn)實意義。

破冰船；冰區(qū)加強；規(guī)范對比；結(jié)構(gòu)設計

引 言

隨著全球氣候變暖影響以及極地科學考察的深入，南北極的地理位置和環(huán)境資源價值不斷顯現(xiàn)，極地領域的競爭愈發(fā)激烈，權(quán)益爭端也不斷加劇。而極地破冰船擔負著保證極地航線暢通以及開辟新航線的重要任務，是到達極地核心區(qū)域開展極地科考作業(yè)的基本條件，同時也是各國實施兩極戰(zhàn)略布局、拓展戰(zhàn)略空間的關鍵力量。

破冰船需要在極地冰區(qū)內(nèi)承擔破冰、清理航道、救援被困船舶等任務，這對于船體外形、建造材料以及結(jié)構(gòu)的布局形式等方面提出了很高的要求，因此船體結(jié)構(gòu)在破冰船的設計中占據(jù)著至關重要的地位。目前存在的有關極地船和破冰船的規(guī)范主要包括芬蘭-瑞典規(guī)范（FSICR）、國際船級社協(xié)會極地冰級規(guī)范（IACS PC）以及俄羅斯、美國、挪威等主要船級社制定的冰區(qū)加強規(guī)范。其中FSICR規(guī)范已經(jīng)被各主要船級社廣泛的吸收作為第一年冰況的基礎規(guī)范，而IACS PC規(guī)范自實行以來越來越被廣泛接受，現(xiàn)已經(jīng)被各船級社作為其章節(jié)的一部分［1］。

上述規(guī)范中，F(xiàn)SICR規(guī)范和IACS PC規(guī)范主要針對的是在極地水域航行的船舶，它們雖然也具有一定的抗冰和破冰能力，但與破冰船有著較大的差距。對于破冰船來說，其承受浮冰撞擊的概率以及冰載荷的大小遠高于普通的極地船，因而各個規(guī)范中對破冰船的結(jié)構(gòu)提出了更加嚴格的要求。

目前各船級社對于破冰船的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范并不一致，各種規(guī)范都有其不同的特點，例如英國勞氏船級社（LR）的規(guī)范基本與IACS PC規(guī)范一致，美國船級社（ABS）和法國船級社（BV）的破冰船規(guī)范也都以IACS PC規(guī)范［2］體系為基礎，俄羅斯船級社（RS）和挪威船級社（DNV）的破冰船規(guī)范則擁有各自相對獨立的體系。值得一提的是，在DNV和GL聯(lián)合推出的DNV-GL規(guī)范中用基于IACS PC的新規(guī)范取代了原DNV破冰船規(guī)范，新規(guī)范針對破冰船在冰級劃分、首尾部加強范圍、冰載荷及總強度衡準等方面做出了特別的規(guī)定，而原DNV破冰船規(guī)范擁有獨立的體系和特點，也具有很大的研究和對比價值。由于各種破冰船規(guī)范在體系和側(cè)重點上存在不同，本文重點選取了RS、DNV、DNV-GL、ABS和BV規(guī)范［3-7］進行綜合對比分析，考察各個規(guī)范的特點，為今后極地破冰船的結(jié)構(gòu)設計研發(fā)提供規(guī)范參考。

1 船體結(jié)構(gòu)的總體要求

1.1 冰級定義和冰級符號

RS規(guī)范共有13個冰級劃分（Part I，2.2.3.2～2.2.3.3），其中Ice 1～Ice 3為非極地冰級，Arc 4～Arc 9為極地航行冰級，Icebreaker 6 ～ Icebreaker 9為破冰船冰級，詳見表1。

表1 RS規(guī)范冰級劃分

在對各個冰級的描述中，該規(guī)范規(guī)定了浮冰的最大厚度和船舶允許的航速。

DNV規(guī)范的冰級符號分為Ice 5、Ice 10、 Ice 15，或者Polar 10、Polar 20、Polar 30，中間可以增加冰級符號（例如Polar 15）。規(guī)范中規(guī)定了各種等級的破冰船對于沖撞破冰的限制，以及破冰厚度和相應情況下浮冰的最大屈服強度（Pt.5 Ch.1 Sec.4 A300）。按DNV規(guī)范，不同等級破冰船的具體使用條件如表2所示。

與DNV規(guī)范不同的是，DNV-GL規(guī)范以IACS為基礎，在冰級定義方面沿用了PC規(guī)范的劃分（Pt.5 Ch.10 Sec.10， 1.3），只是針對破冰船在PC 1至PC 7的級別后加上Icebreaker以示區(qū)分（詳見表3）。

表2 DNV規(guī)范冰級劃分

表3 ABS／DNV-GL規(guī)范冰級劃分

ABS規(guī)范中規(guī)定，由于IACS PC規(guī)范的出版，ABS已將其作為自身規(guī)范的一部分，并取代原來的冰區(qū)航行船舶冰級劃分。對于破冰船，可在PC 6及其之上的冰級符號后加Enhanced符號（見表3），因此ABS規(guī)范將破冰船的冰級劃分為PC 1 Enhanced至PC 6 Enhanced，其中PC 6 Enhanced僅適用于非極地且沒有多年冰的水域（Pt.6 Ch.1 Sec.4， 3）。

BV規(guī)范在吸收了IACS PC規(guī)范的內(nèi)容基礎上，增加了對PC 1至PC 7冰級比較詳細的冰情描述，包括跟隨航行和獨立航行時最大冰厚以及浮冰密集程度等。與此同時，BV規(guī)范針對破冰船增加了Icebreaker 1至Icebreaker 7的冰級劃分，并規(guī)定了各個冰級下最大的沖撞破冰航速（NR527，Sec 1，3.1），詳見下頁表4。

通過比較可以看出，RS和BV規(guī)范對于冰級的劃分較為細致，不僅對航行區(qū)域做了更加詳細的劃分，還規(guī)定了不同條件下的航速以及破冰能力等具體指標；DNV規(guī)范中對各個級別浮冰的屈服強度和最大厚度做出了描述；而ABS和DNV-GL規(guī)范則基本沿用了PC規(guī)范的劃分方式。

1.2 船體結(jié)構(gòu)加強區(qū)域

RS規(guī)范對于破冰船的加強分區(qū)如下頁圖1所示。沿船長方向由首到尾分為首部區(qū)域A、過渡區(qū)域A1、船中區(qū)域B以及尾部區(qū)域C；而首部過渡區(qū)域、船中區(qū)域和尾部區(qū)域又進一步沿垂向分為冰帶區(qū)I、下部區(qū)II、舭列板區(qū)域III以及底部區(qū)域IV（Part II，3.10.1.3.3）。詳見下頁表5。

表4 BV規(guī)范冰級劃分

表5 RS、ABS/DNV-GL以及BV規(guī)范的結(jié)構(gòu)加強區(qū)域

DNV規(guī)范中將破冰船外板分為7個區(qū)域（見圖2），包括首柱、首部、首部下方、船中、下部過渡區(qū)、底部、尾部等。

其首部區(qū)最后端距離首垂線0.3L，其他各個區(qū)域的水平及垂向范圍也有詳細的說明（Pt.5 Ch.1 Sec.4 A403），詳見表6。

表6 DNV規(guī)范結(jié)構(gòu)加強區(qū)域

DNV-GL規(guī)范對于破冰船的加強分區(qū)與ABS規(guī)范類似，只是針對首尾部加強區(qū)域做了補充規(guī)定（Pt.5 Ch.10 Sec.10， 3.2）。以ABS規(guī)范為例，具體分區(qū)如圖3所示。

分區(qū)方法與RS規(guī)范類似，沿船長方向分為：首部區(qū)域B，過渡區(qū)域BI，船中區(qū)域M以及尾部區(qū)域S；首部過渡區(qū)域、船中區(qū)域和尾部區(qū)域又進一步沿垂向分為冰帶區(qū)i，下部區(qū)l和底部區(qū)域b（Pt.6 Ch.1 Sec.2， 3.1），具體描述見表5。

BV規(guī)范雖然也是基于IACS規(guī)范，但對于破冰船的加強區(qū)域劃分有單獨的定義（NR527，Sec 2，1.1），主要是在IACS PC規(guī)范的基礎上將首部加強區(qū)域的長度修改為首垂線向后0.25L，首部過渡區(qū)域長度為首部區(qū)域向后0.15L，而尾部加強區(qū)域修改為尾垂線向前0.2L，具體如下頁圖4所示。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)DNV規(guī)范對于冰區(qū)的劃分相對比較特殊，首部加強范圍較大，而其他規(guī)范對于冰區(qū)的劃分模式則比較統(tǒng)一，也比較簡明易懂。值得注意的是DNV-GL規(guī)范和ABS規(guī)范由于沿用了IACS規(guī)范的劃分方法，對于破冰船的加強區(qū)域與極地船基本相同，而BV規(guī)范則對此做了改動，從而使得BV規(guī)范和RS規(guī)范在冰區(qū)劃分上更為相近。

1.3 船體材料和腐蝕余量要求

對于破冰船承受冰載荷的船體外板及其相連構(gòu)件的材料等級，各規(guī)范的規(guī)定方法比較一致：首先根據(jù)構(gòu)件所處位置確定其分類，隨后根據(jù)板或型材的厚度及設計溫度確定應當使用的材料等級。

對于結(jié)構(gòu)的腐蝕余量，ABS規(guī)范、DNV-GL規(guī)范和BV規(guī)范的規(guī)定與IACS一致，根據(jù)不同冰級、船體區(qū)域和有無保護措施規(guī)定不同的腐蝕厚度。RS規(guī)范中腐蝕余量根據(jù)與破冰船冰級和加強區(qū)域有關的年均腐蝕余量和設計服役年限確定（Part II，3.10.4.1）。而DNV規(guī)范中對于破冰船的腐蝕余量與一般船舶相同，沒有特別的規(guī)定。

2 結(jié)構(gòu)設計及總強度

2.1 船體外形參數(shù)及設計冰載荷

對于破冰船的外形參數(shù)，各船級社規(guī)范中的定義都較為一致，只是在具體的描述上略有不同。以ABS規(guī)范為例，如圖5所示。

對于破冰船，BV規(guī)范和RS規(guī)范根據(jù)不同破冰等級規(guī)定了各個參數(shù)的取值范圍，DNV也規(guī)定船中區(qū)域的β角不應小于10°。值得一提的是，RS規(guī)范針對破冰船船型有特別的要求，包括首柱處的α和γ的取值范圍，首柱下方要設置適合于破冰的結(jié)構(gòu)，不可以設置球鼻首；尾部不能使用方尾形式，同時在舵的后方需要有起保護作用的附體等。

對于設計冰載荷，RS規(guī)范規(guī)定其大小與破冰船冰級、船體外形參數(shù)及船體排水量有關，具體的冰載荷參數(shù)以及船體區(qū)域參數(shù)如下頁表7所示。與其他規(guī)范不同的是RS規(guī)范中船體外形參數(shù)對于各個區(qū)域的冰載荷都有影響。

ABS規(guī)范、BV規(guī)范以及DNV-GL規(guī)范在冰載荷的計算上都采用了IACS的計算公式，只是在某些參數(shù)的取值上略有不同。以ABS規(guī)范為例，主要參數(shù)見表7。其中，首部區(qū)域與非首部區(qū)域的情況有所不同：對于首部區(qū)域，形狀參數(shù)fai以及板格長寬比AR都與船體的外形有關；而對于非首部區(qū)域，fai和AR都取為定值。

與其他規(guī)范不同的是，DNV規(guī)范將冰載荷分為首部撞擊載荷、船首擱灘載荷、船中擠壓載荷以及局部冰載荷四種。其中，前三種載荷與船體總強度的計算有關，而局部冰載荷的表達方式與RS規(guī)范相似（見表7）。但與RS規(guī)范不同的是，局部冰載荷大小除首部區(qū)與船體外形參數(shù)有關外，其他區(qū)域與船體外形參數(shù)無關。

2.2 冰區(qū)總強度

ABS規(guī)范中對于破冰船冰區(qū)總縱強度的規(guī)定與IACS規(guī)范基本相同，在計算總縱強度時，冰載荷只需要與靜水載荷相疊加。規(guī)范主要包括首部垂向設計冰壓力，垂向設計冰剪力，垂向設計冰作用彎矩等載荷的計算方法（Pt.6 Ch.1 Sec.2， 25），以及總縱強度的衡準（見表8）。

表7 冰載荷對比

表8 總縱強度衡準對比

BV規(guī)范、DNV-GL規(guī)范與ABS規(guī)范類似，但在強度衡準方面將極地船與破冰船分開，對于破冰船提出了更嚴格的要求（見表8）。

DNV規(guī)范對于破冰船總強度考慮得較多，不僅給出了總縱強度垂向設計冰剪力和垂向設計冰作用彎矩的公式，同時也有關于船中受到浮冰擠壓時橫向強度和船首子結(jié)構(gòu)在沖撞破冰時強度的相關要求（Pt.5 Ch.1 Sec.4 E）。RS規(guī)范則相反，在規(guī)范中并沒有專門篇幅對冰區(qū)總強度的問題進行說明。

2.3 構(gòu)件尺寸

由于各種規(guī)范對于不同區(qū)域外板的厚度和骨材尺寸都有具體的計算公式，因此本文通過使用不同規(guī)范分別計算某破冰船的冰區(qū)加強構(gòu)件尺寸，并根據(jù)結(jié)果來進行對比分析。

由于BV規(guī)范、DNV-GL規(guī)范和ABS規(guī)范計算體系相同，故本文參考ABS規(guī)范，按PC3 Enhanced冰級進行計算，按照破冰能力相近的原則，與之相對應的RS規(guī)范按Icebreaker 7的要求進行計算，DNV規(guī)范按照Polar 15冰級計算。全船舷側(cè)采用橫骨架式，肋骨間距取為400 mm，材料的屈服極限為390 MPa。本文在計算中選取了比較有代表性的冰帶區(qū)外板和舷側(cè)肋骨尺寸進行對比分析。

表9列出了冰帶區(qū)域沿船長方向的板厚計算結(jié)果。

表9 冰帶區(qū)外板厚度對比mm

表10列出了冰帶區(qū)域舷側(cè)普通肋骨沿船長方向需要滿足的剖面模數(shù)和腹板剪切面積的要求。普通肋骨的跨距按1.5 m計算。

表10 冰帶區(qū)舷側(cè)肋骨尺寸要求對比

通過對比可以看出，在外板厚度方面，ABS和RS計算結(jié)果大體一致，但DNV規(guī)范計算值要遠大于其他規(guī)范；而對于舷側(cè)肋骨，ABS規(guī)范在首尾端對于剖面模數(shù)要求較高，RS規(guī)范則在船中區(qū)域的剖面模數(shù)要求較高，DNV規(guī)范計算的肋骨剖面模數(shù)與前兩者差別不大，但剪切面積則要遠大于其他規(guī)范。

2.4 結(jié)構(gòu)設計細則

RS規(guī)范和ABS規(guī)范對于破冰船的冰區(qū)加強結(jié)構(gòu)都有比較細致的規(guī)定，包括舷側(cè)肋骨、舷側(cè)縱桁的布置以及間距、與外板相連的艙壁和甲板等板結(jié)構(gòu)的加強范圍、首尾柱的截面積及肘板間距要求、雙層底高度及縱桁間距等等。而其他規(guī)范對于冰區(qū)加強的結(jié)構(gòu)細則描述的比較簡略。

3 結(jié) 論

通過以上各個方面的對比可以看出，各國船級社的破冰船規(guī)范在內(nèi)容結(jié)構(gòu)上大體相似，但在具體的規(guī)定上又不盡相同。從體系上來看，RS規(guī)范和DNV規(guī)范相對獨立一些，而ABS、BV和DNV-GL規(guī)范則是建立在統(tǒng)一的IACS PC規(guī)范基礎之上。各種規(guī)范在破冰船結(jié)構(gòu)設計的側(cè)重點上有著各自不同的特點：

（1）RS規(guī)范對于破冰船冰級的劃分以及結(jié)構(gòu)加強的分區(qū)比較清楚和詳細。該規(guī)范針對破冰船船型提出了較具體的要求，明確了破冰船與普通極地船在外形上的區(qū)別，同時通過設計冰載荷的計算方法突出了船型對于破冰船的重要性。此外，規(guī)范對冰區(qū)加強結(jié)構(gòu)的布置也有較詳細的說明，但沒有涉及到關于船體總強度的要求。

（2）DNV-GL規(guī)范是建立在IACS PC規(guī)范體系之上的，與ABS和BV規(guī)范比較類似。而原DNV規(guī)范與其他規(guī)范相比在結(jié)構(gòu)加強分區(qū)方面比較復雜和特殊，而且關于首部的加強范圍比其他規(guī)范都大；同時由于專門考慮了沖撞破冰等特殊工況，其冰載荷的種類也比其他規(guī)范要多，船體總強度的計算也更全面一些；DNV規(guī)范中雖然對于破冰船的腐蝕厚度沒有做出特別要求，但通過對結(jié)構(gòu)加強構(gòu)件尺寸的計算發(fā)現(xiàn)其要求的外板厚度和骨材面積都遠大于其他規(guī)范。

（3）ABS規(guī)范與BV規(guī)范有共同的基礎，在冰載荷和構(gòu)件尺寸的計算上基本是一樣的。從計算結(jié)果來看在加強要求相似的情況下，其首尾端構(gòu)件的要求要比RS規(guī)范更高一些，而船中構(gòu)件要求較低。但在其他方面，兩種規(guī)范之間有比較明顯的不同：BV規(guī)范在IACS規(guī)范的基礎上針對破冰船冰級劃分、結(jié)構(gòu)加強分區(qū)、外形參數(shù)要求等方面制定了專門的標準，更貼近于RS規(guī)范的體系，在總強度衡準方面也比ABS規(guī)范要求更高一些。

綜上所述，RS規(guī)范基于自身體系專門針對破冰船結(jié)構(gòu)特點提出了包括船體線型在內(nèi)的比較詳細的要求，其構(gòu)件的計算公式也基本是通過大量的試驗得到的經(jīng)驗公式，因此應該是比較適合于指導破冰船的結(jié)構(gòu)設計的。ABS規(guī)范、BV規(guī)范以及DNV-GL規(guī)范在IACS極地航行船舶規(guī)范體系的基礎上對破冰船加強分區(qū)、外形參數(shù)和結(jié)構(gòu)細則等方面提出了特殊要求，也具有重要的參考價值。而DNV原有的破冰船規(guī)范對于船體加強的范圍較大，構(gòu)件尺寸要求也比較高，可能會在一定程度上增加船體的結(jié)構(gòu)重量，因此已被逐步淘汰。但該規(guī)范對于破冰等特殊工況下船體結(jié)構(gòu)的載荷和強度計算具有較大的參考意義。

［1］吳春平，吳剛，王曉琳. IMO極地規(guī)則和未來極地船舶發(fā)展趨勢分析［J］.造船技術(shù)， 2014（2）： 6-9.

［2］IACS. Requirements concerning Polar Class［S］. 2011.

［3］RMRS. 2-020101-072-E（T1） Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Ships［S］. 2013.

［4］ABS. Rules for Building and Classing Steel Vessels， Part 6［S］. 2013.

［5］DNV. Rules for Classification of Ships， Part 5［S］. 2013.

［6］DNV-GL. Rules for Classification of Ships， Part 5［S］. 2015.

［7］BV. Rules for the Classification of Polar Class and Icebreaker ships［S］. 2010.

信息動態(tài)

海洋工程總裝研發(fā)設計國家工程實驗室籌備會順利召開

2017年1月18日，中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）組織的海洋工程總裝研發(fā)設計國家工程實驗室籌備會順利召開。集團公司科技部以及中集海工、外高橋造船、上海船廠、滬東中華、黃埔文沖、廣船國際、611所、上海交大、哈爾濱工程大學、四川宏華、上海利策等實驗室成員單位代表參加了會議。

會上，大家針對實驗室籌建方案以及理事會章程、實驗室管理辦法和科創(chuàng)基金課題管理辦法等初稿文件提出了寶貴的意見和建議，并對如何利用好實驗室平臺開展協(xié)同創(chuàng)新展開了熱烈的討論。此次會議為實驗室第一屆理事會的順利召開奠定了基礎。

Comparative study of structural design rules for polar icebreaker ships

GONG Cheng
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Having compared and analyzed the structural design rules for icebreaker ships that proposed by major classi fi cation societies, the paper investigates the di ff erent rules' speci fi c requirements of the de fi nition of ice classes, division of ice strengthening region, allowance of material and corrosion, parameter of hull shape, ice loads, the overall strength of ice zone, the scantlings of the ice-strengthening structures and the details of the structural design. The characteristics of the di ff erent rule systems are summarized to provide references for the structural design of the polar icebreaker ships, which has certain practical signi fi cance.

icebreaker; ice strengthening; comparison of rules; structural design

U662.1

A

1001-9855（2017）01-0084-10

2016-08-03；

2016-10-14

龔 丞（1987-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設計。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.084